船舶自抗扰无模型自适应航迹控制

[目的]旨在研究船舶在真实海况下航行面临复杂环境干扰的影响,控制船舶克服干扰,实现航迹跟随、智能航行。[方法]首先,将无模型自适应控制(MFAC)算法引入自抗扰控制器(ADRC)中,设计改进自抗扰无模型自适应控制(ADRC-MFAC)算法,通过ADRC跟踪系统的实时状态、识别系统所受未知扰动,根据MFAC建立输入数据(舵角)与输出数据(航向角、角速度)之间的非线性关系,实现稳定的航向控制。然后,结合自适应视线(LOS)制导策略,通过动态航向控制实现对航迹的精准控制。[结果]仿真结果表明,所设计的控制器能够控制船舶快速航行至预设轨迹并沿轨迹行进,在复杂环境扰动下仍能够实现理想的航迹控制。[结论]研究成果不依赖船舶具体模型,可为船舶航迹控制提供参考。

基于电极模态切换的半球谐振陀螺自校准方法

针对因受加工技术、加工条件以及外部环境因素等影响,半球谐振陀螺在力平衡模式下输出零偏稳定性及重复性变化较大的问题,提出一种基于模态切换的陀螺自校准方法。基于半球谐振陀螺二阶振动模态机理,建立理想状态下谐振子运动方程,并分析推导了谐振子在阻尼不均和频率裂解等非理想因素影响下的运动模型和参数控制方程。根据谐振陀螺输出漂移特性,提出了一种基于电极功能切换的半球谐振陀螺自校准方法。通过相关实验,分析比较了电极模态切换前后陀螺输出稳定性及重复性,实验结果表明,陀螺零偏稳定性提升1.8倍以上,陀螺零偏重复性提升90.5%,所提方法能有效估计及补偿陀螺漂移,提高半球谐振陀螺输出的稳定性和重复性。

基于改进反步滑模控制算法的拖轮自主靠泊控制

[目的]针对拖轮的自主靠泊控制问题,研究基于虚拟船领导的目标跟踪控制策略在拖轮自主靠泊中的应用。[方法]首先,将拖轮的自主靠泊过程转变为虚拟拖轮和实际拖轮的目标跟踪控制过程;然后,设计靠泊系统的运动学模型,考虑靠泊场景中的特殊环境干扰,使用反步法和滑模控制法(SMC)设计全回转尾推进拖轮的自主靠泊控制器,提供了3种不同的滑模面设计并使用李雅普诺夫函数进行稳定性验证;最后,采用仿真实验的方式,通过靠泊轨迹、速度误差和距离误差来对控制的效果进行验证。[结果]仿真实验结果表明,设计的拖轮自主靠泊控制策略以及控制器在拖轮自主靠泊场景中具有较好的效果,面对系统的不确定干扰有较好的表现。[结论]该控制策略以及靠泊控制器的适用性以及鲁棒性较好,以全新的角度实现了拖轮自主靠泊控制,为后续拖轮的靠泊控制研究提供了新的方向。

水平张量重力梯度仪垂向运动误差实时补偿方法

为减小垂向运动对水平张量重力梯度测量的影响,提出了一种水平张量重力梯度仪垂向运动误差实时补偿方法。首先,分析了载体垂向运动引起重力梯度动态测量误差的机理,建立了综合安装误差角的回归方程;其次,在递推公式中引入遗忘因子,提高状态估计的跟踪速度;再次,针对量测量易受载体运动干扰的问题,通过Sage-Husa自适应滤波的方法实时适应不同量级的动态干扰,对综合安装误差角进行实时估计;最后,利用得到的综合安装误差角估计结果,实现重力梯度垂向运动测量误差的实时补偿。船载实验数据处理结果表明,与传统补偿方法相比,所提方法可将重力梯度内符合精度由30E@1km提高至15E@1km。

水下声学导航网络节点区域最优布局方法

为实现水下声学导航网络节点满足区域定位精度需求,同时满足节点布局数量及费效比最优,提出了一种水下声学导航网络节点最优布局方法。根据节点布局间距和定位误差关系,选定满足定位精度需求的最大节点布局间距,采用2D网格生成算法控制节点间距在最大间距,以实现导航网络节点的自动化最优布局。考虑海底地形遮挡声源情况,利用地形开角与临界开角和小开角临界值的对比,快速确定区域布局风险区并在2D网格生成算法中设置不可布局区域,进一步优化实际海底地形导航网络节点布局。通过某实际海域导航网络区域布局的仿真实验验证,所提方法可实现100 m定位误差的预期设计需求,并满足布局节点数量最优。

用于原子干涉仪的激光相位锁定及频率切换方法

针对光锁相环参考频率在大范围跳变时,待锁激光器因频率响应速度不足引起的锁相失效的问题,在已有光锁相环基础上,提出了一种基于电压补偿的激光相位锁定及频率切换方法。首先基于光锁相环的环路特性构建了参考频率切换模型,分析了锁相拉曼光对原子干涉仪相位影响的评价方法;之后通过构建激光频率变化和压电陶瓷电压的对应关系,获取电压-频率的转换标度;最后根据实际的原子干涉仪激光频率需求,完成切换频率和补偿电压的匹配时序设计。实验结果表明当参考频率在300 MHz范围内切换时,锁相环路在0.2 ms内即可实现稳定,并在原子干涉仪上实现了干涉时间间隔为60 ms的干涉验证。所提方法为提升原子干涉仪激光系统的集成化、可靠性等提供了一种思路,有助于推动原子干涉仪的工程化研究。

水下PNT体系之声学导航定位技术应用展望

声学导航技术是水下PNT体系的重要组成部分,也是水下PNT建设的一种有效增量手段,应充分利用中高频声学导航技术的隐蔽性和精确性,以及低频声学导航技术的广域性,满足水下用户对水下导航定位能力的隐蔽性、广域性以及精确性需求,有效促进水下导航定位服务能力的持续提升。从水下应用需求出发,研究了声学导航的任务剖面、边界条件和融合方式等,明确其在水下应用的优越性与局限性,最后对我国未来声学导航技术水下应用提出了建议。

量子纠缠光纤陀螺的态演变和偏振互易性分析

量子纠缠光纤陀螺仪利用非经典光量子态的光子纠缠特性,对载体角运动引起的Sagnac相移进行超高灵敏度测量。Fink团队在2019年最早报道了基于共线型正交偏振纠缠光子对的量子纠缠光纤陀螺仪,得到突破散粒噪声极限的实验测量结果,但并未给出光量子态经历光纤陀螺各环节的具体演变过程。因此,针对Fink的光路结构,首次对量子纠缠光纤陀螺仪中量子态及算符的动力学演变以及相位检测灵敏度进行了理论分析,证实该光路结构基本上可达到2002态量子纠缠光纤陀螺仪的海森堡极限,同时研究发现,Fink的光路结构由于感生双折射引起的相位误差寄生在Sagnac相移中,实际上是一种偏振非互易性光路结构,会严重削弱相位检测灵敏度。基于此,设计了一种具有偏振互易性的量子纠缠光纤陀螺仪光路结构,光子源为非共线型自发参量向下转换(SPDC)产生的正交偏振纠缠光子对,线圈中的光量子态为i(1_(CCM-H))1_(CW-H)1_(CW-V))/√2理论研究证明,该结构不存在任何偏振非互易性相位误差。

欠驱动自主水下航行器移动式回收控制及视景仿真

为解决欠驱动自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)移动式回收控制问题以及无法直观展示移动式回收过程的情况,本文设计了一套半物理仿真系统并通过视景仿真模块实时显示AUV与移动式回收装置在虚拟海洋环境中的位姿变化。首先介绍了移动式回收任务的流程;然后设计了一种新的前向速度导引律,并利用基于AUV模型的轨迹跟踪控制方法计算控制指令;最后搭建了半物理仿真系统且由视景仿真界面实时展示移动式回收装置与AUV的位置与姿态信息。仿真结果表明:当AUV由不同位置出发时基于模型的轨迹跟踪控制方法都能控制AUV顺利地靠近移动式回收装置、安全稳定地完成移动式回收任务。

基于K-means聚类的GPS同步式欺骗识别方法

针对进入GPS接收机的高隐蔽性同步式欺骗信号和真实卫星信号的区分问题,该文提出一种基于多重基带特征进行聚类分析的欺骗干扰识别方法。首先总结了抗同步式欺骗的基带处理流程;然后在欺骗检测和估计的基础上,在信号处理层级提取各个信号分量的伪码和载波多普勒频率一致性(CCDC)特征、相对幅度关系特征、载噪比异动特征,在信息解算层级提取各信号分量和其他信号分量相组合进行解算对应的伪距残差特征,以及欺骗入侵前后的钟差异动特征;最后利用K均值聚类(K-means)算法对不同特征进行综合,从而完成对欺骗信号的识别。基于射频(RF)信号采集回放的半实物实验及反欺骗软件接收机的处理结果表明,该方法能够及时而准确地识别同步式欺骗和真实信号,从而指导接收机抑制欺骗干扰并恢复正确的解算结果。

面向北斗异构星座的多参考一致性检验方法

针对卫星导航地基增强系统(GBAS)中多参考一致性检验(MRCC)方法应用于北斗卫星导航时存在故障监测灵敏度较低的问题,提出一种面向北斗异构星座的MRCC方法。该算法通过顾及北斗异构星座与不同卫星高度角区间的观测量质量差异性,采用分区网格化构建思想,改进阈值模型构建策略。采集实测北斗观测数据,人为在测试时段内的全部可见卫星上加入阶跃、缓变、加速度等典型故障对所提方法进行性能测试。阶跃型故障测试中,改进方法相对于传统方法能够探测到变化幅值更小的阶跃型故障;缓变型与加速度型故障测试中,改进方法能够更快地实现故障监测。结果表明,改进方法更适用于基于北斗卫星导航的接收机异常观测量监测。

北极冰下双自主水下机器人协同地形匹配导航

针对自主水下机器人北极冰下远距离航行存在较大定位偏差的情况,本文提出利用单波束协同地形匹配导航方法改善定位性能。针对粒子滤波出现粒子退化和粒子耗尽,导致测量更新失效问题,本文设计一种地形自适应双自主水下机器人协同地形匹配导航方法,根据地形高程标准差计算地形置信度,将地形置信度融入双自主水下机器人协同地形匹配导航系统中,提高了导航方法的鲁棒性。通过模拟仿真对该方法进行验证,结果表明该方法能够有效提高定位的精度及鲁棒性。

抑制闭环光纤陀螺高动态角运动测量误差的校正回路设计

闭环光纤陀螺控制回路存在固有延迟,若通过约束回路增益来抑制回路超调和振动零偏效应,会在一定程度上限制光纤陀螺带宽。这导致陀螺在高动态条件应用时会产生较大的角速率跟踪误差,进而影响系统的动态性能。为此,提出了一种回路校正技术,以减小大动态角速率跟踪误差及瞬态角误差。对校正后的回路稳定裕度及频率特性进行了分析,对特征角速率跟踪误差及瞬态角误差进行了仿真。仿真结果表明,对于某型光纤陀螺,采用所提出的回路校正技术和设计参数,在100°/s^(2)的角加速度输入条件下,角速率跟踪误差和最大瞬态角误差分别为13.1μrad/s和6.99μrad,比未经校正前降低了一个数量级以上,带宽提高为原来的4倍且依然保证了光纤陀螺的稳定性能,满足特定车载冲击振动条件下的角运动测量精度要求。

半球谐振陀螺真空度要求分析

空气阻尼是影响半球谐振陀螺精度的重要因素,直接影响了其核心零件谐振子的品质因数Q。首先,根据半球谐振陀螺的工作原理和结构特点,研究了在不同真空度环境下、克努森系数Kn不同取值范围内空气阻尼对半球谐振陀螺的作用;进而,推导出相应的空气阻尼计算公式,计算出谐振子的Q值,得出了高精度谐振陀螺必须工作在Kn>10的分子流阶段,在此阶段Q值关于真空度的对数曲线等比例提高。最后通过某型半球谐振陀螺进行实验验证,实验结果与理论分析计算相吻合,验证了理论分析的正确性。为半球谐振陀螺的真空设计提供理论依据。

采用双模压缩态的光子纠缠光纤陀螺仪研究

对采用双模压缩态的光子纠缠光纤陀螺仪进行了理论研究,采用角动量理论首次推导了双模压缩态输入的光子纠缠光纤陀螺仪的相位检测灵敏度,并证明了当光子数足够大时,可以达到海森堡极限。针对采用双模压缩态的光子纠缠光纤陀螺仪的二阶符合计数探测方案远未达到海森堡极限的情况,通过考察光子纠缠光纤陀螺仪各输出态的二阶符合计数对总的二阶相关光强的贡献,发现二阶符合计数探测方案存在量子增强信息的抵消,也即其中一个接收端光子数为偶数的输出态和光子数为奇数的输出态的二阶符合计数形成互补的倍频干涉条纹,进而相互抵消。因此,需要优化探测方案,提取完整的量子增强信息,才能实现海森堡极限的相位检测灵敏度。

基于BP神经网络的重力仪高机动状态快速调平修正技术

针对平台式重力仪大机动状态后测量能力恢复慢的问题,提出一种基于BP神经网络的重力仪稳定平台快速调平修正技术。首先,针对动态重力测量在测量平台大机动状态后调平能力不足的问题,研究了基于BP神经网络的平台姿态高效、准确解算方法;其次,利用惯性元件和卫星导航系统(GNSS)的信息优化BP神经网络,形成不同条件的平台姿态提取优化模型;最后,利用模拟仿真实验和实际机载动态重力测量数据验证所提方法的有效性和准确性。实验结果表明在大机动的动态条件下采用所提方法可以扶正重力仪稳定平台,将机动后重力仪稳定平台稳定时间缩短83.3%以上,提升动态重力测量效率。

船舶舵机电静液作动器的分数阶线性自抗扰控制

为改善船舶舵机电静液作动器(Electro Hydrostatic Actuator,EHA)的抗扰性能,提出一种基于线性自抗扰控制和分数阶PD控制的融合控制方法。在建立驱动电机和液压系统数学模型的基础上,利用线性扩张状态观测器(Linear Extended State Observer,LESO)估计EHA在不同工况下所受的内外总扰动,并证明LESO的有界稳定性;进一步采用分数阶PD控制作为控制律对所估计的总扰动予以主动抑制,控制参数由剪切频率和相位裕度等频率响应指标决定。利用AMESim和Simulink联合建立EHA仿真模型,通过分析可知,所提出控制方法在船舶航速分别为6 kn和8 kn时位移控制精度均约为1 mm。利用自研EHA搭建船舶舵机半实物试验装置,进行来回摆舵和突然换向试验,结果表明在负载扰动下和有突变换向情况时,所提出控制方法对操舵指令的跟踪均具有较好的快速性和稳定性。

一种改进的残差χ^(2)故障检测算法

针对舰船导航系统多源信息融合中故障检测问题,提出一种改进的残差χ^(2)检测算法。该算法克服了传统残差χ^(2)检测算法对门限设置敏感的缺点,通过适当的递推与合理的状态切换,使得改进χ^(2)检测算法受设置门限的影响大大降低,采用一定范围内的门限可达到相同效果,即可采用较宽泛的门限,有利于工程应用设计。仿真结果表明,改进算法相比传统算法能够在精度、稳定度和最大误差值3个方面获得较大改善,将位置误差降低到传统算法位置误差的18%,位置误差波动性降低至传统算法的14%,最大位置误差降低至传统算法的13%。

基于因子图的船用导航系统信息融合算法

针对船用捷联惯性导航系统(SINS)、北斗(BD)、多普勒(DVL)和天文导航(CNS)信息更新频率不同以及可用性随环境动态改变的多源导航信息融合问题,提出基于增量平滑因子图的船用导航系统信息融合及容错算法。建立SINS、BD、DVL和CNS的量测因子节点模型,并通过利用所有时刻量测信息,以最大后验概率估计方法进行融合架构的构建;插入新的量测因子节点后,识别并更新受新量测因子影响的部分导航状态变量节点,利用因子图增量平滑算法计算导航状态的最大后验估计值;同时设计基于卡方检验的信息容错算法进行故障检测。数值仿真及半实物车载试验表明所提算法具有即插即用特性,能够实现不同信息更新频率导航设备的有效融合,融合精度与联邦滤波的定位精度相当;在导航设备发生故障后,所设计的容错算法能够有效识别并隔离故障。

考虑旋转调制INS轴角误差的船体变形测量方法

旋转调制式惯导已成为舰船主惯导,在采用旋转调制式惯导进行船体变形角测量时,由于旋转轴与惯性测量组件的坐标系不完全重合,导致船体变形角中被引入与旋转相关的波动误差。针对这一问题,提出了考虑旋转调制惯导转轴倾角误差的船体变形测量方法。推导了单轴旋转系统转轴倾角误差与船体变形测量之间的数学关系,构建了含有轴角误差的状态观测数学模型,利用卡尔曼滤波器实现了船体变形测量的同时对转轴倾角进行估计。实验结果表明,所提方法可以估计出旋转调制惯导中存在的转轴倾角大小,有效提高测得船体变形角精度,其中水平方向提升到6″,纵向方向提升到6″,为利用旋转调制式惯导进行船体变形测量提供参考。